Kleine voertuigen tot 1, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar, gehuld in biologische camouflage, zou nieuwe manieren kunnen bieden om kanker te behandelen met minder bijwerkingen.

Gedurende miljarden jaren heeft de natuur ingenieuze manieren geperfectioneerd voor biologische cellen om zich door hun omgeving te verplaatsen en onschadelijk pakketten chemicaliën tussen elkaar te vervoeren.

Nu bootsen wetenschappers sommige van deze processen na om nieuwe 'nanomachines' te maken die uiteindelijk kunnen helpen bij de behandeling van ziekten zoals leukemie en andere vormen van kanker.

Eén benadering is geïnspireerd op het verhaal van het beleg van Troje, toen de Grieken hun krijgers verstopten in een gigantisch houten paard om de stad binnen te komen.

Professor Valentina Cauda, een chemisch ingenieur aan de Politecnico di Torino in Italië, leidt een project om nanokristallen van zinkoxide te maken die kankercellen van binnenuit kunnen doden. Op zichzelf de kristallen, die ongeveer 20 nanometer groot zijn - ongeveer 6, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar - kan giftig zijn voor gezonde cellen in het lichaam en kan een immuunreactie veroorzaken die voorkomt dat ze de tumor bereiken.

Maar prof. Cauda en haar collega's van het TrojaNanoHorse-project hebben een omhulsel rond de kristallen ontwikkeld, zodat ze langs de afweer van het lichaam en in kankercellen kunnen glippen.

"Het idee is om het immuunsysteem te ontwijken en de barrière van het celmembraan te ontwijken dankzij de biomimetische schaal, " zegt prof. Cauda. "In de analogie van het Trojaanse paard, de (kanker)cel kan de stad Troje zijn."

vettig

De kleine schelpen, die tussen 100-200nm of 1, 000 keer kleiner dan een mensenhaar, zijn gemaakt van vetmoleculen die lipiden worden genoemd en die het buitenmembraan van bijna alle levende cellen vormen. In de natuur, kleine druppeltjes gemaakt van deze lipiden - ook wel blaasjes genoemd - komen constant uit het oppervlak van onze cellen met chemische berichten of ongewenste materialen erin, zodat ze veilig naar andere delen van het lichaam kunnen worden vervoerd.

Prof. Cauda en haar team hebben geprobeerd dit te kopiëren door hun nanokristallen te coaten in blaasjes die worden geproduceerd door cellen die in het laboratorium zijn gekweekt, zodat ook zij onschadelijk door het lichaam kunnen gaan. Het oppervlak van de blaasjes kan ook bezaaid zijn met antilichamen tegen specifieke kankercellen, hen helpen om alleen de cellen aan te scherpen die ze willen doden.

Zodra een blaasje een kankercel vindt, zijn antilichamen zullen aan het oppervlak binden, waardoor de lipiden kunnen versmelten met de cel en het giftige nanokristal binnenin vrijkomt. En door nanoschillen te laten groeien van cellen uit het eigen lichaam van een patiënt, Prof. Cauda gelooft dat het mogelijk zal zijn om gepersonaliseerde behandelingen te creëren die het immuunsysteem kunnen omzeilen en toch kankercellen kunnen doden.

Het team heeft de nanoshell-aanpak tegen leukemiecellen en baarmoederhalskanker al in het laboratorium getest. Hoewel ze hopen in de toekomst proeven op mensen te kunnen doen, Prof. Cauda waarschuwde dat het nog vele jaren kan duren voordat ze dat stadium bereiken.

Voordelen

Indien succesvol, echter, deze nanogeneeskundebenadering kan voordelen opleveren in vergelijking met traditionele chemotherapiebehandelingen door zich alleen op tumorcellen te richten, waardoor gezond weefsel onaangetast blijft en dus bijwerkingen worden verminderd.

"De nanogeneeskundebenadering zou een locatieselectieve en gepersonaliseerde behandeling voor de patiënt kunnen bieden, " zei prof. Cauda.

Deze aanpak, echter, vertrouwt nog steeds grotendeels op de nanoschillen die op de kankercellen terechtkomen terwijl ze in de bloedbaan van de patiënt circuleren, zodat ze zich eraan kunnen hechten.

Een ander team van onderzoekers werkt aan nano- en micromachines die dit mogelijk actief kunnen verbeteren door behandelingen naar de plaats in het lichaam te brengen waar ze nodig zijn.

Dr. Larisa Florea, een materiaalwetenschapper aan het Trinity College Dublin in Ierland, leidt een project genaamd ChemLife om miniatuurvoertuigen te maken die zichzelf in een vloeistof kunnen verplaatsen.

chemotaxis

Het team probeert een vorm van beweging na te bootsen die bekend staat als chemotaxis, die door sommige basismicro-organismen wordt gebruikt en hen in staat stelt om door oplossingen van laag zoutgehalte naar hoog zoutgehalte te bewegen, of van zure tot alkalische oplossingen, bijvoorbeeld.

Andere onderzoeksteams in de VS hebben eerder aangetoond dat door de mens gemaakte druppeltjes met deze aanpak heel precies door complexe doolhoven kunnen worden genavigeerd. Dr. Florea en haar collega's hebben geprobeerd dit uit te breiden door licht te gebruiken om de beweging van druppels te regelen.

Ze hebben blaasjesachtige druppeltjes gecreëerd die lichtgevoelige moleculen koppelen aan verbindingen die bekend staan ​​als oppervlakteactieve stoffen. Oppervlakteactieve stoffen worden vaak aangetroffen in wasmiddelen, maar worden ook vaak aangetroffen in veel biologische systemen.

Bij blootstelling aan licht, de 'lichtgevoelige' moleculen reageren door hun vorm te veranderen, het veranderen van de oppervlaktespanning aan elke kant van de druppel. Hierdoor stromen de moleculen in de druppel van de ene naar de andere kant, vooruit rijden, een beetje zoals het loopvlak van een tank.

Het team heeft aangetoond dat ze druppels nauwkeurig door driedimensionale ruimtes kunnen sturen en snelheden tot 10,4 mm per seconde (0,02 mph) kunnen bereiken.

"Als je de snelheid van de beweging vergelijkt met de grootte van deze microdruppels, ze zijn sneller, pond voor pond, dan sommige van de beste zwemmers ter wereld, "zei dr. Florea.

Ze hebben ook kunnen aantonen dat hun druppelvormige voertuigen vracht kunnen vervoeren, afgeven aan andere druppeltjes om een ​​chemische reactie op gang te brengen. Het wekt de hoop dat vergelijkbare methoden kunnen worden gebruikt om medicijnen of andere soorten behandelingen aan specifieke cellen in het lichaam te leveren.

Hoewel het moeilijk kan zijn om licht te gebruiken om een ​​medicijndragende druppel door het lichaam te navigeren, Dr. Florea en haar collega's hebben ook onderzoek gedaan naar het gebruik van milde elektrische stromen.

Voortbewegen

Het team heeft ook complexere micromachines ontwikkeld die kunnen zwemmen of kruipen door vloeistoffen zoals kleine bacteriën. Met behulp van zeer nauwkeurige 3D-printtechnieken, ze hebben hydrogelstructuren van enkele micrometers kunnen maken die kunnen samentrekken en uitzetten om een ​​structuur voort te stuwen.

"We hebben kleine bloemachtige structuren gemaakt, bijvoorbeeld, die kan openen en sluiten als reactie op verschillende stimuli, "zei ze. "Het kan bijvoorbeeld openen bij een bepaalde pH en sluiten bij een andere."

Dit gebeurt omdat de hydrogels uitzetten door water te absorberen en samentrekken door het te verdrijven volgens de pH van de omringende oplossing. Dr. Florea zei dat ze hopen ook de beweging van hydrogels te beheersen met veranderingen in temperatuur of lichtpulsen.

Het ChemLife-team gebruikt deze hydrogels om structuren te creëren met kleine roterende flagella - de kleine staartachtige aanhangsels die sommige bacteriën gebruiken om zichzelf voort te stuwen. Ze creëren ook wormachtige structuren van hetzelfde soort hydrogels die langs oppervlakken of door vloeistoffen kunnen kruipen.

"Het uiteindelijke doel is om deze micro-voertuigen acties te laten uitvoeren zoals het afleveren van medicijnen of (chemische) detectie, " zei Dr. Florea. "Maar we moeten realistisch zijn dat dit in de nabije toekomst misschien niet zal worden bereikt, aangezien het lichaam een ​​zeer moeilijke omgeving is."

De kleine bewegende structuren kunnen ook op andere manieren worden gebruikt. Deze omvatten het leveren van chemicaliën om industriële reacties beter te verbeteren of het maken van zachte microgrijpers die op afstand kunnen worden geactiveerd om delicate componenten zoals cellen te hanteren zonder ze te beschadigen.

"Als je kijkt naar wat de natuur kan bereiken, de mogelijkheden zijn eindeloos, " added Dr. Florea.